液體表面張力及黏度變化對氣液傳質(zhì)過程的影響

李 靜

（陽煤集團(tuán)太原化工新材料有限公司,山西 太原 030000）

引 言

化工過程的強(qiáng)化主要是通過提高傳質(zhì)效率和減小傳質(zhì)阻力兩個方面［1］,強(qiáng)化氣液主要是為了能夠工業(yè)生產(chǎn)高效低耗化。就目前研究現(xiàn)狀看,主要方法有：一改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu),板式塔和填料塔目前應(yīng)用比較廣泛；二通過引入質(zhì)量分離劑,創(chuàng)新有效的分離技術(shù)［2］；三引入第二能量分離劑（如,超聲、重力場等）。

氣液傳質(zhì)過程指在系統(tǒng)中氣體和液體間傳遞的過程,由于物質(zhì)濃度的差異,發(fā)生了吸收或者解吸過程,同時,液相的某些物化性質(zhì)發(fā)生了變化,如,黏度、表面張力等,而這些氣液界面的不穩(wěn)定導(dǎo)致了界面對流過程,這種對流過程對氣液傳質(zhì)過程有一定的增強(qiáng)作用［3－5］。研究表明,界面對流對于實際化工過程中的氣液傳質(zhì)具有重要的意義。通過在體系中加入產(chǎn)生特定作用的第三組分,研究其對氣液傳質(zhì)過程的影響。

1 表面活性劑強(qiáng)化氣液傳質(zhì)

1.1 表面活性劑強(qiáng)化氣液傳質(zhì)過程的研究進(jìn)展

液體表面張力是控制界面?zhèn)髻|(zhì)的重要參數(shù),表面張力的變化會導(dǎo)致界面不穩(wěn)定,在一些條件下會引發(fā)近界面液體的對流現(xiàn)象,即 Marangoni對流。表面活性劑引起表面張力變化,同時調(diào)高氣泡在液相中的分散性,從而增加氣液傳質(zhì)系數(shù)。

Gomez－Diaz等［6］以 H2O－CO2為對象,鼓泡塔作為反應(yīng)設(shè)備,十烷基三甲基溴化銨（DTABr）作為表面活性劑,探討了活性劑對氣液傳質(zhì)過程的影響,發(fā)現(xiàn),隨著DTABr的增大,總傳質(zhì)系數(shù)KL先增大后下降明顯,在活性劑較低濃度處會出現(xiàn)一個最大值。實驗表明,表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)對氣液傳質(zhì)過程產(chǎn)生重要的影響［7］：短鏈的烷基表面活性劑對傳質(zhì)過程起到促進(jìn)作用。反之,長鏈則會起到抑制作用,中等長度鏈在濃度較低時會起到促進(jìn)作用,在高濃度時則會起到抑制作用。這說明表面活性劑的濃度對于氣液傳質(zhì)有很大的影響,在界面調(diào)控時應(yīng)給予考慮。

孫健等［8］以溴化鋰溶液吸收水蒸氣為例,對加入表面活性劑后強(qiáng)化的過程進(jìn)行了研究,分析了氣液兩相以及固液兩相界面的變化過程。作者認(rèn)為,吸收時表面活性分子在氣液界面分布不均衡,會產(chǎn)生表面張力梯度,使得傳質(zhì)強(qiáng)化。Wu等［9］以三甘醇和二甘醇溶液中添加低表面活性劑乙醇為研究對象,分析了強(qiáng)化水蒸氣吸收的過程。作者分析認(rèn)為,加入乙醇后,會產(chǎn)生表面張力梯度,同時界面對流,氣液界面更新速度加快,氣液傳質(zhì)得到強(qiáng)化。

1.2 表面活性劑強(qiáng)化氣液傳質(zhì)的機(jī)理探究

表面活性劑的加入,一方面,會降低溶液的表面張力,會導(dǎo)致相鄰氣泡的壓差小,小泡并入大泡的速度慢,氣泡的穩(wěn)定性就會好一些；另一方面,吸附了促傳劑的液膜會受到氣流的沖擊、振動或形成泡膜的液體受重力作用而排液時,泡膜能產(chǎn)生彈性恢復(fù)力,維持氣泡自身的穩(wěn)定。這樣促傳劑的加入抑制了氣泡的破滅和合并,從而使氣泡直徑小、形狀規(guī)則均勻,總的表面積大,上升速度慢,穩(wěn)定性強(qiáng),增大氣液接觸面積,延長氣液接觸時間而增強(qiáng)傳質(zhì)。

研究發(fā)現(xiàn),有時表面活性劑的加入不但沒有起到強(qiáng)化的效果,反而會帶來抑制的效果。Painmanakul等［10］研究了在自來水中加入少量的表面活性劑對氧氣傳質(zhì)過程的影響。研究發(fā)現(xiàn),陽離子或陰離子表面活性劑都會使液相傳質(zhì)系數(shù)KL減小,會在液體表面形成一層表面活性劑分子膜,導(dǎo)致表面運(yùn)動減弱。Hebrard等［11］考察了在攪拌釜中添加表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SLS）后,氧氣在水中傳質(zhì)系數(shù)的變化情況。實驗結(jié)果顯示,隨著SLS濃度的增大,傳質(zhì)系數(shù)不斷減小,直到濃度達(dá)到SLS的臨界膠束濃度之后,傳質(zhì)系數(shù)降為恒定值。作者認(rèn)為,在氣液界面形成了一個富含表面活性劑分子的液層,此液層導(dǎo)致了氧氣的擴(kuò)散系數(shù)減小,使液相傳質(zhì)系數(shù)降低。

2 增大液體黏度對氣液傳質(zhì)的影響

黏度是流體運(yùn)動時剪切力與剪切速度梯度的比值,是流體的一種屬性。黏度對流體流動狀態(tài)影響很大,同時也影響到傳質(zhì)過程。而氣液接觸面積主要取決于反應(yīng)器內(nèi)平均氣含率與氣泡尺寸的分布［12］?；跉馀菪再|(zhì)對氣液行為和液體循環(huán)速度的重要影響,研究反應(yīng)器內(nèi)氣含率和氣泡尺寸分布等氣泡性質(zhì),對于傳質(zhì)行為非常重要,而黏度對于氣含率和氣泡尺寸都有很重要的影響。

一方面是黏度對氣含率的影響。楊志生等［13］在水中加入微量樹脂（＜2%）后發(fā)現(xiàn),液相的物理性質(zhì)幾乎沒有變化,而氣含率隨液相黏度的增加而下降。作者分析認(rèn)為,液相黏度增大,使小氣泡匯合成大氣泡的機(jī)率增加,導(dǎo)致氣泡分散困難,氣含率下降。Wei等［14］對氣升式反應(yīng)器的研究中發(fā)現(xiàn)了同樣的規(guī)律：隨著黏度的增加,氣泡聚并加劇,氣含率下降。

另一個方面是黏度對于氣泡直徑的影響。黏度對單孔氣泡直徑的影響早有研究：在1929年,Schnurmann就將多孔陶瓷和碳濾器浸入到大量溶液中（包括酒精、酸溶液、糖水和特定的電介質(zhì)溶液中）,研究液相黏度對氣泡直徑的影響。結(jié)果表明,液相黏度確實是影響氣泡直徑的主要因素之一。Ramakrishnan和 Kumar［15－16］認(rèn) 為,隨 著 黏 度 的 增加,氣泡直徑增大；液相表面張力和孔徑都較小時,黏度對氣泡直徑影響較大。

童川等［17］研究了液體黏度對于CO2吸收塔規(guī)整填料傳質(zhì)性能的影響,通過向液相中加入甘油使得液相黏度由0.001 0Pa·s增加至0.002 5Pa·s,利用這個體系在填料塔中測量金屬板波紋規(guī)整填料在不同操作條件下的有效傳質(zhì)面積。實驗結(jié)果表明,黏度的改變會直接影響到填料在同等條件下的有效傳質(zhì)面積,具體表現(xiàn)為,當(dāng)氣速相流速較低時,在高黏度體系傳質(zhì)面積降低。作者分析認(rèn)為,體系黏度的增加會阻礙液體在填料表面的鋪展,從而降低了氣液的接觸面積。

黏度主要是通過影響氣泡的合并來對氣液傳質(zhì)效果產(chǎn)生影響,增大液相的黏度,會使氣泡聚并加劇,導(dǎo)致傳質(zhì)效率的降低。

3 總結(jié)

1）氣液傳質(zhì)過程是個看似簡單,實質(zhì)非常復(fù)雜的過程,表面張力對傳質(zhì)的影響顯著大于黏度、擴(kuò)散系數(shù)等其他物性。通過于液相中添加低表面活性物質(zhì)會引起傳質(zhì)界面產(chǎn)生湍動效應(yīng),這種效應(yīng)會使緊貼界面兩側(cè)的氣、液體產(chǎn)生對流,降低傳質(zhì)阻力,提高傳質(zhì)效率。目前研究的表面活性劑強(qiáng)化氣液傳質(zhì)的過程大多數(shù)應(yīng)用在氣液接觸時間長,氣液對流發(fā)生在相對緩慢的過程,只有這樣,改變的界面張力才有可能成為影響傳質(zhì)過程的一個因素。

2）超重力技術(shù)是一種新型的化工過程強(qiáng)化技術(shù)［18－19］,通過旋轉(zhuǎn)填料床實現(xiàn),旋轉(zhuǎn)填料床最大的優(yōu)勢就是將液體通過高速旋轉(zhuǎn)將其切割成較薄的液膜和較小的液滴,由于旋轉(zhuǎn)填料床的高速旋轉(zhuǎn),使得液體在填料中以極小的液滴、液膜和液絲存在,氣液接觸良好,表面更新速率非?？?在旋轉(zhuǎn)填料床中加入的表面活性劑引起的表面湍動和界面對流對于氣液傳質(zhì)的過程影響較弱,效果不明顯,需要深入探究。

3）目前對于在液相中加入表面活性劑和增稠劑的研究都是在氣液對流比較溫和的過程,研究表明,不同的表面活性劑、不同的設(shè)備、不同的實驗條件,表面活性劑產(chǎn)生的效果都沒有一定的規(guī)律性,并且對于氣液傳質(zhì)影響的效果不是十分顯著,研究的范圍也僅局限于吸收CO2和水蒸氣方面,需要繼續(xù)擴(kuò)大研究范圍。

4）另外,關(guān)于研究納米流體強(qiáng)化氣液傳質(zhì)有4個機(jī)理：掠過效應(yīng)、抑制氣泡聚并機(jī)理、邊界層混合機(jī)理和滲透機(jī)理。很多學(xué)者都對納米流體強(qiáng)化氣液傳質(zhì)的機(jī)理進(jìn)行了深入的研究,但效果不明顯,需要深入探究。

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